2017-05-02 20:38:49

  在最近的十餘年裏,太陽能光伏逆變技術得到了長足的發展。與此同時,人們普遍開始擔憂隨著光伏逆變器的占比越來越高,整個電力供應係統的穩定性會受到極大影響。但最近的研究顯示,例如在歐洲,那些采用了高級功能的逆變器的電力係統的品質事實上反而得到了提高。美國當前已有的光伏標準如IEEE1547和加州Rule 21都是針對低占比的情況,而現在隨著光伏的占比越來越高,對於逆變器而言,支持電網接受高占比的高級功能的需求已經顯著地增加。而這些高級功能在原有的標準中並無體現,例如無功電壓控製、電壓穿越能力、頻率穿越能力、有功頻率控製、緩變率控製以及通訊等。

  本文首先討論了一兩年前做的一係列測試,揭示了“傳統”逆變器的典型表現,包括他們對電網的失真的貢獻、防孤島問題以及潛在的更嚴重的幹擾。其次我們給出使用一台已經在商業化生產的標準型號光伏逆變器的測試結果,該逆變器是按照最近的德國電網規則設計的,所采用的高級功能是當前美國的規則所沒有要求的。我們測試了該逆變器在一係列典型的電壓和頻率波動情況下的表現,以評估其在電網中的動態性能。相當一部分的標準規範和技術報告(如IEC61000-3-15,CEI 0-21等)都提到光伏逆變器可能用於提升電力品質,而本文展現的這些測試結果指出光伏逆變器的確可以提升電力品質和電網穩定性。

  測試方案

  首先我們針對傳統逆變器進行測試,以證實這些逆變器能夠遵照美國以及其他國際規範安全運行。測試方案如圖1所示。電網模擬器用於處理雙向的能量流動,就像真實的電網。逆變器接受來自於光伏模擬器的直流能量注入。電子負載產生線性和非線性的電流負載,有效地模擬各種典型的家用負載的行為,例如電腦、廚房電器、電視、空調等設備。功率分析儀用於分析負載、逆變器以及電網之間的電流流動。

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  圖1 用於評估光伏逆變器的測試方案

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  圖2展示了功率分析儀上的典型顯示。上方的圖形是電網模擬器即電網端的電壓(綠色)和電流(黑色)波形,下方的圖形是負載的電流(紅色)和逆變器的電流(藍色)。逆變器輸出1274.9瓦給家用負載,輸出1766.5瓦給電網。

  圖2 逆變器輸出3KW

  公共電網的真實電壓波形一般都不可能像圖2所示是那麼完美的正弦波形,2-5%的電壓總諧波失真極為常見。為了評估逆變器對於失真電壓的響應,我們控製電網模擬器以1%的步進來設置第9階次諧波從3%到9%的電壓失真。如圖3顯示了7%失真設置時的波形。

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  圖3 帶有7%電壓失真的波形

  如圖4所示,注入電網的電流失真大約是設置的電壓失真的兩倍。這是由於逆變器“追蹤”電網的電壓,疊加上了與電壓失真程度相同的電流失真。

  圖4 逆變器對於失真的貢獻

  如果逆變器能夠被“許可”進行補償,它就能減少注入公共電網的電流失真。新型的逆變器已經具備了該功能。

  再來看傳統逆變器的另一個不良應對,出於對早期防孤島要求而采取的對電壓跌落和短時擾動的響應。早期標準要求逆變器在電網電壓超出限值(一般為標準值的±10%)後的160毫秒內應當切斷連接。圖5展示了逆變器對於短時電壓跌落的響應。該逆變器在10毫秒內斷開連接並且維持在離線狀態,有時離線狀態會持續好幾分鍾。而這樣的響應方式會進一步加劇電網的電壓跌落問題。所以這就要求逆變器能夠具有一定的低電壓穿越能力。

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  圖5 逆變器對於電壓跌落的響應

  高級光伏逆變器能力

  為了評估高級光伏逆變器對於電網的影響,南加州愛迪生(SCE)購買了若幹個遵照德國電網規則設計的家用及商用逆變器。這些逆變器具有那些美國規則所不要求的高級功能。以下內容介紹這些逆變器在SCE DER實驗室的部分測試項目。

  新的逆變器設計允許電壓穿越能力,例如在40%至100%範圍內可調的低電壓穿越。當係統電壓高於下限時,逆變器維持功率輸出,不從電網中切開。當係統電壓跌至下限以下時,逆變器停止功率輸出,但仍然在一段可調的時間內(在SCE的測試時最短為0.04秒,最長為10秒)維持與電網的連接,在電壓恢複至高於下限一定程度(餘量)之後再輸出功率。

  圖6展示了該功能。電壓(藍色線)跌至標準值的47%,使得逆變器(綠色線)停止輸出功率,但是當電壓回複至47%加上3%餘量後,逆變器立即恢複提升其功率(第8秒前的時刻)。當公共電網電壓在第17秒超過標準值時,逆變器相應縮減其功率輸出,直到電壓穩定在標準值後(第27秒)逆變器恢複滿功率輸出。

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